龍門黃河大橋左岸危巖體發育特征及其危險性預測

段素真，劉漢東，王忠福，何思明，李冬冬

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.中國科學院 山地災害與環境研究所，四川 成都 610041）

1 引言

巖質滑坡或巖質崩塌是高陡巖質邊坡地區常見的地表演化過程，對坡腳及溝谷出口處的人民生命財產及基礎設施安全構成嚴重威脅。 晉陜兩省交界的黃河峽谷段，兩岸地形陡峻，巖體卸荷裂隙發育，存在大量規模不等的危巖體，小規模滾石災害時有發生。 龍門黃河大橋左岸橋臺上方為直立峭壁，由于卸荷、風化及凍融循環作用，橋臺上方發育的大量危巖體是大橋建設與正常運行的潛在威脅，因此詳細查明危巖體規模、分布范圍、影響因素、潛在破壞模式及形成機制對危巖體防治和工程建設與運營意義重大。

結構面是控制危巖體規模、潛在失穩模式及穩定性的重要因素［1-4］。 因此，危巖體穩定性評價與防治的關鍵在于控制性結構面的確定，傳統的方法是通過人工測量方式獲取結構面產狀、間距、延展長度及充填情況。 然而，對于高陡邊坡，人工測量不僅效率低，且測量人員面臨巖體墜落及滾石沖擊等潛在危險［5-7］。三維激光掃描技術以其快速高效獲取三維空間信息的優勢，在工程地質調查及三維變形監測等領域得到廣泛應用。 基于三維激光掃描技術獲取的三維點云信息，通過自動化或半自動化的識別方法可以高效地統計研究區域大量的結構面數據［8-12］。 但是，三維激光掃描儀需要通過拼接多站掃描數據才能獲取掃描對象完整的三維影像。 對于形態復雜的掃描對象，即使增加掃描站數，三維激光掃描儀仍存在掃描盲區；此外，高昂的價格和笨重的設備也成為其在復雜地形山區中使用的限制條件［13］。 無人機攝影測量技術，不僅設備攜帶方便，且能在短時間內完成對較大范圍復雜地形區域的測量工作，逐漸成為地質災害調查和應急搶險工作的重要技術。 目前，航空攝影測量主要用于三維地形和地貌調查，在巖體結構信息與危巖體三維空間數據提取方面的應用有待進一步開展細化與深入研究［14-21］。

本研究通過無人機攝影測量技術獲取了危巖分布區復雜而精細的三維地形信息，基于三維數字模型和高清影像提取危巖體控制性結構面數據，結合地面調查，對危巖體空間分布、形態與規模、潛在失穩模式等進行統計，并采用三維離散元法構建典型危巖體及地表三維數值模型，通過分析危巖體三維運移路徑、沖擊能量等，提出了相應的危巖體防治措施。 本文的研究成果一方面可為橋臺上方危巖體防治提供基礎數據，另一方面也為無人機攝影測量技術在高陡邊坡結構面調查中的應用提供一個重要的實證。

2 研究區概況

研究區位于晉陜交界處禹門口地區，此處黃河由北向南，兩岸地形切割強烈，溝谷縱橫，高差一般100～300 m。 龍門黃河大橋左岸橋臺上方發育的大量危巖體對該大橋施工及運營構成嚴重威脅，圖1 為研究區地形地貌圖。 危巖體所在斜坡呈上寬下窄的喇叭狀，斜坡上部寬約255 m、下部寬約125 m，斜坡頂面坡度為5°～10°，坡頂下部陡崖坡度大于80°，斜坡下部坡度為40°～50°。

圖1 研究區地形地貌圖

根據區域地質、現場調繪及勘探揭示，研究區出露地層以第四系全新統坡積碎石土、塊石土，奧陶系中統峰峰組（ O2f）、上馬家溝組（ O2s）為主。 碎石土分布于山坡中上部的斜坡地帶，成分主要為石灰巖、角礫泥灰巖，顆粒呈棱角狀，無分選，結構較密實。 奧陶系中統峰峰組分布于橋臺以上，為灰巖及角礫狀泥灰巖和白云質灰巖互層，巖層的產狀為300°∠7°，其中灰巖層厚45～50 m，角礫狀泥灰巖層厚7 ～15 m，白云質灰巖層厚10～19 m。 奧陶系中統上馬家溝組位于奧陶系中統峰峰組之下，出露巖層為白云質灰巖，局部夾多層薄層角礫狀泥灰巖，中厚-厚層狀構造，弱風化，節理裂隙不發育，巖體較完整，巖層層厚15～26 m。

3 危巖體基本特征

3.1 巖體結構信息提取新技術

基于無人機攝影測量進行危巖體工程地質調查主要包括地面調查、無人機攝影測量、結構面信息提取與分析三方面內容。 通過地面調查獲取危巖體地層巖性、控制性結構面性質等信息。 通過無人機攝影測量獲取研究區三維數字地形信息，以及巖體結構面產狀及空間展布等。 地面調查獲取的特征結構面信息也可用于驗證無人機攝影測量獲取數據的準確性。

采用無人機攝影測量方式對研究區進行調查，獲取研究區高精度三維影像，并對各危巖帶進行細部拍照。 無人機攝影測量采用大疆精靈Pro4，測量范圍覆蓋研究區并向外延伸500 m，測量范圍約為1.0 km2。研究區DEM 構建過程主要包括獲取高清影像數據、基于GPS 標志點校準影像數據、影像數據拼接、構建研究區DEM。

危巖體幾何尺寸可以通過DEM 數據直接量取，進而求得危巖體平面面積與體積。 利用無人機影像和DEM 數據提取出露結構面信息過程如下：在待測結構面上提取多點三維坐標，將三維點擬合成平面并計算相應的平面方程參數，構建平面方程參數與結構面產狀換算關系，計算結構面產狀。 為驗證基于無人機影像提取的結構面信息（見圖2）的準確性，可通過人工測量方式測定若干易測結構面產狀信息，將其與提取方式得到的結構面信息進行對比。

圖2 結構面信息提取過程

3.2 危巖體分布特征

經調查分析，危巖體所在斜坡為坡度大于80°的懸崖，高程450 ～600 m。 基于無人機三維高清影像，共識別出59 個危巖體，單個體積4 ～1500 m3，危巖體總體積約6000 m3。 根據危巖體的分布高度、破壞形式、可能滾落的距離等，將其劃分為3 個危巖帶（見圖3）。 表1 為特征危巖體（W11、W18、W41）幾何尺寸與結構面信息。

表1 特征危巖體幾何尺寸與結構面信息

上部危巖帶位于上部陡崖及坡頂，長255 m，坡面坡度80°～90°，危巖體分布高程為536 ～600 m，共調查危巖體40 處（W1 ～W40）。 受地形控制，危巖體潛在崩塌方向為180°～330°。 體積小于10 m3的單體危巖共22 處，主要位于坡體頂部，被裂隙切割成塊狀；體積為10～100 m3的共12 處，主要分布于上部陡崖坡面；體積為100 ～1000 m3的共3 處（W11、W25、W35），位于上部危巖帶坡腳處；體積大于1000 m3的共3 處（W18、W23、W34），其空間形態主要受卸荷裂隙和凹腔控制（見圖4），位于上部危巖帶坡腳處。

圖4 溶蝕孔洞與差異風化凹腔

中部危巖帶位于中部陡崖，長170 m，坡面坡度80°～90°，危巖體分布高程為480 ～500 m，共調查危巖體10 處（W41～W50）。 危巖體潛在崩塌方向為188°～315°。 單體危巖規模較小，其中體積小于10 m3的共8處，體積為10 ～100 m3的有1 處（W50），體積大于100 m3的有1 處（W46，體積為372 m3）。

下部危巖帶位于左岸橋臺上方陡崖，長125 m，坡面坡度80°～90°，分布高程450～470 m，共調查危巖體9 處（W51 ～W59）。 危巖體潛在崩塌方向為185°～345°。 單體危巖規模較小，體積為0.5～7.8 m3。

4 數值模擬及分析

4.1 危巖崩塌動力過程分析方法

三維數值模擬可以得到危巖體失穩后的運動過程、對潛在威脅對象的沖擊速度和沖擊能量等信息，這是防護結構設計的重要參考依據。 顆粒離散元（代表軟件為Particle Flow Code，簡稱PFC）通過球單元（Ball）和墻單元（Wall）構建實體和邊界，可以較好地模擬崩（崩塌）、滑（滑坡）、流（泥石流）等災害的動力過程。 基于無人機攝影測量獲取的高精度地表數字模型可以準確而快捷地構建研究區三維地表模型。 三維地表模型由29457 個三角形墻單元構成，模型南北長390 m、東西寬500 m（見圖5（a））。 結合巖體結構面信息，可以準確地獲取危巖體幾何形態和體積，在PFC中通過聚合顆粒的方式創建相應的危巖體三維模型（見圖5（b）、（c）、（d））。

圖5 危巖體與地表三維仿真模型

在顆粒離散元模型中，巖體彈性模量、單軸抗壓強度、泊松比等宏觀力學參數通過不同的顆粒接觸模型和接觸參數來表征。 通常采用單軸數值試驗模擬實驗室巖體單軸試驗，反復調整微觀參數，得到與室內試驗相同的巖體宏觀強度和變形參數，即認為此組微觀參數可以用來模擬相應巖體的力學特性。 通過上述方法，并參考已有研究成果［4］，得到此次計算所需的巖體力學參數（見表2）。

表2 巖體力學參數

堆積體失穩運動過程中，其能量主要通過顆粒與顆粒之間和顆粒與坡面之間的摩擦和碰撞來耗散。 在顆粒離散元模型中，摩擦耗能通過顆粒和坡面摩擦系數表征，碰撞引起的能量耗散則通過在運動方程中引入阻尼的方式實現。 阻尼類型包括局部阻尼和黏滯阻尼。 局部阻尼主要模擬流體（空氣、水等）對系統施加的阻力，黏滯阻尼主要模擬顆粒撞擊引起的能量損失。危巖體運動過程受重力支配，可不考慮空氣阻力作用，無須施加局部阻尼作用。 黏滯阻尼則與巖體類型、坡面物質組成、植被發育特征等有關，通常通過測定回彈系數的方式獲取。 參考已有研究成果，結合龍門黃河大橋橋臺上方斜坡特征，確定本次模擬所用坡面特性參數與阻尼系數（見表3）。

表3 坡面特性參數與阻尼系數

4.2 危巖體潛在失穩模式與形成機制分析

4.2.1 潛在失穩模式

根據地面調繪資料成果，危巖體主要孕育于灰巖和白云質灰巖形成的陡崖之中，它們均以角礫泥灰巖為基座。 危巖的形成是陡峻斜坡地貌和上硬（灰巖、白云質灰巖）下軟（角礫泥灰巖）巖體結構綜合作用的結果。 受臨空條件、結構面組合關系、巖體結構等因素影響，龍門黃河大橋左岸橋臺上方危巖體潛在失穩模式分為傾倒式、墜落式、滑移式3種主要類型（見圖6）。

圖6 潛在失穩模式

（1）傾倒式。 此類危巖體下部軟弱基座被逐漸掏空，重心逐漸外傾，巖體中產生拉張裂縫，在重力和裂隙水壓力作用下，拉張裂縫加深變寬，當拉張裂縫向下貫穿至軟弱基座時，巖體向前傾斜翻轉，形成傾倒式崩塌。 傾倒式崩塌往往具有鏈式反應特征，即前次崩塌的發生為后部巖體提供了新的臨空面，后部巖體再次進入“裂縫形成—裂縫擴張—傾倒破壞”的過程，如此循環下去。 上部危巖帶中的危巖體W18、W23、W25、W34、W35，中部危巖帶中的危巖體W45、W46、W49，以及下部危巖帶中的危巖體W53、W54 等，均為傾倒式危巖，巖體后部發育有高傾角裂縫是其共同特征。

（2）墜落式。 此類危巖體凸出坡面形成懸臂形態，巖體底部臨空，后部發育未貫通裂縫，未貫通部分巖體維持危巖體整體穩定，承受較大的剪應力和拉張應力。 在靜力時效或動力作用下，后部裂縫向深部擴展，拉應力和剪應力進一步集中，一旦裂縫貫通，危巖體便發生墜落式崩塌。 墜落式崩塌同樣具備鏈式反應特征，前次崩塌形成后，后部巖體便進入“豎向裂縫形成—裂縫變寬加深—裂縫貫通—墜落崩塌”的循環過程，進而引起新的墜落式崩塌。 上部危巖帶中的危巖體W19、W20、W21、W24、W26、W27，中部危巖帶中的危巖體W44，下部危巖帶中的危巖體W52、W57 等，為典型的墜落式危巖體。

（3）滑移式。 此類危巖體中發育有傾向與危巖體臨空面坡向一致的軟弱結構面，在自重應力和靜水壓力、動水壓力作用下沿外傾結構面產生水平和垂直變形，巖體重心一旦脫離母巖即形成滑移式崩塌。 上部危巖帶中的危巖體W39、W40，中部危巖帶中的危巖體W41，下部危巖帶中的危巖體W58，均屬于此類危巖體。

4.2.2 危巖體形成機制分析

對于龍門黃河大橋橋臺上方的危巖體，構造裂隙以及風化、卸荷作用是影響其穩定的主要因素。 首先，橋臺上方危巖體所處坡面基本直立，一方面為危巖體失穩滑移提供了臨空面，另一方面坡面應力集中產生大量的卸荷裂隙，在卸荷裂隙與構造裂隙的組合作用下，巖體被切割成塊狀。 其次，危巖體所處斜坡由堅硬致密的白云質灰巖、灰巖與角礫泥灰巖構成，巖體強度和抗風化能力差異顯著，差異性風化導致坡腳處的角礫泥灰巖體中存在大小不同的凹腔（見圖4），堅硬的白云質灰巖和灰巖底部臨空而局部凸出坡面，改變了巖體的應力狀態，進一步加劇局部應力集中，為白云質灰巖、灰巖巖體的失穩滑移和臨空墜落創造了條件。

4.3 危巖體運動路徑預測與防治建議

基于離散元法的動力過程分析可以得到危巖失穩后完整的運動過程，以及準確的運動路徑和運動速度，為危巖崩塌災害防治措施設計提供可靠的基礎數據。大橋左岸上方地形近似漏斗狀，危巖體失穩后整體向橋臺位置匯集，橋臺將會受到劇烈沖擊。 對于上部危巖帶，約30%危巖體將撞擊到龍虎公路，平均沖擊速度約25.6 m／s，平均沖擊能量約54558 kJ；約70%的危巖體將撞擊橋臺或橋面，平均沖擊速度約26.1 m／s，平均沖擊能量約109674 kJ。 對于中部危巖帶，危巖體將全部撞擊到橋臺或橋面，平均撞擊速度約15.8 m／s，平均沖擊能量約16371 kJ。 對于下部危巖帶，危巖體失穩后將全部與橋臺或橋面發生碰撞，平均沖擊速度約16.4 m／s，平均沖擊能量約43937 kJ。 由此可見，危巖體失穩后將對橋臺構成巨大沖擊，沖擊能量均超過104kJ，嚴重威脅黃河大橋的安全運營。 雖然前述計算中未考慮危巖體因解體而發生能量損失的情況，但危巖體對橋臺的潛在巨大沖擊仍不容忽視。

根據危巖體潛在破壞模式及失穩后運動過程模擬，在地震或強降雨觸發危巖體失穩后將對橋臺構成極大威脅，嚴重危及黃河大橋的正常運營。 在沒有防護措施的情況下，危巖體沿坡面存在多次凌空飛躍進而加速的情況，沖擊能量巨大。 因此，建議采用主動防護措施對危巖體進行加固，然后在危巖體潛在運動路徑上，設置多級被動防護網或攔擋墻等，通過多次攔截消耗崩塌體沖擊能量。

5 結論

準確的巖體結構面信息是進行巖體穩定分析、失穩模式分析、動力分析及設計加固措施的重要依據。龍門黃河大橋左岸橋臺段地形陡峻，危巖體叢集，傳統地面調查費時、費力。 本文基于地面調查及無人機攝影測量技術分析了危巖體空間分布與規模、控制性結構面等，并基于三維離散元數值分析對危巖體潛在失穩模式、形成機理及危險性進行預測分析，得出如下結論：

（1）龍門黃河大橋左岸橋臺上方危巖體分布在高程450 ～600 m、坡度大于80°的漏斗狀懸崖地段，在高程上可劃分為上、中、下3 個危巖帶，單體危巖體積為4～1500 m3，總體積約6000 m3，主要危及龍門黃河大橋橋臺施工與運營安全。

（2）裂隙切割和差異性風化是誘發危巖體失穩的主要因素，危巖體潛在失穩模式有傾倒式、墜落式和滑移式，其中墜落式及滑移式主要發生在坡體表面，體積相對較小，傾倒式主要發生在由差異風化形成的凹腔地段。（3）危巖體失穩后到達左岸橋臺或橋面的平均沖擊速度為15.8～26.1 m／s，各危巖帶單個危巖體平均沖擊能量均超過104kJ，沖擊能量巨大，建議對危巖體采取主動加固，并設置被動攔截的綜合防治措施。